Вокруг Света - Журнал "Вокруг Света" №9 за 2002 год

Так, например, он может похвастаться образцом первого автономного водолазного шлема Boutan, коих в мире осталось всего 2 экземпляра, а также шлемом для погружения со смесью газов. Будо и впредь намерен пополнять свое собрание, разыскивая по всему свету редкие экземпляры жестких шлемов.

Игорь Аникеев

Планетарий: Тайна старого замка

Гравитационные линзы, обнаруженные астрономами около 30 лет назад, — одно из самых удивительных явлений, существующих во вселенной. Они стали не только убедительнейшим доказательством истинности теории относительности эйнштейна, но и незаменимыми помощниками астрономов в поиске ответов на многие вопросы о структуре и эволюции вселенной.

Подобно миражам, которые путешественники встречают в пустынях, в космосе существуют свои миражи. Они возникают, когда свет от отдаленных объектов отклоняется, изгибается и даже усиливается гравитационным полем массивных объектов, таких как галактики, галактические скопления и черные дыры. Большая масса объекта способна создать эффект линзы. На изображении показано, как лучи света (обозначенные серыми стрелками), исходящие из отдаленной спиральной галактики, отклоняются, проходя мимо объекта с большой массой, например галактического скопления (шар, окруженный голубым сиянием, в центре изображения). Когда этот свет наконец достигает Земли, то создается впечатление, что он пришел с несколько иного направления (обозначенного красными стрелками). Форма обычной спиральной галактики при этом также изменилась. В данном случае галактическое скопление ведет себя как гигантское увеличительное стекло, или гравитационная линза, увеличивая и искажая изображение отдаленной галактики.

Гравитационными линзами называют астрономическое явление, при котором изображение какого-либо удаленного источника (звезды, галактики, квазара) оказывается искаженным из-за того, что луч зрения между источником и наблюдателем проходит вблизи какого-то притягивающего тела (другой звезды, галактики и даже скопления галактик). Термин «гравитационная линза» появился, по всей вероятности, в 20-е годы ХХ века, когда резко возрос интерес ученых к проблеме преломления света в гравитационном поле как к эффекту, предсказанному общей теорией относительности А. Эйнштейна и обнаруженному экспериментальной группой английских астрономов во главе с А. Эддингтоном во время полного солнечного затмения, происходившего 29 мая 1919 года. Именно тогда изображения звезд, видимые вблизи края солнечного диска, немного сместились относительно своих обычных мест, а величина этого смещения находилась в полном согласии с предсказанием Эйнштейна.

Ближайшая к Солнцу точка его фокуса расположена в 550 раз дальше Земли, а потому наблюдать с Земли линзовый эффект поля тяготения Солнца нельзя. Хотя в принципе гравитационной линзой может стать любая звезда при условии, что она находится на луче зрения между наблюдателем и удаленным источником, вот только вероятность осуществления такой конфигурации крайне мала из-за низкой плотности звезд в нашей Галактике. А потому никто и не надеялся на то, что изображение, «построенное» гравитацией, будет когда-либо обнаружено в природе. Появилось лишь несколько теоретических работ, посвященных тому, как должно выглядеть изображение звезды, если между ней и наблюдателем окажется другая звезда или линза.

Тогда согласно предположениям такая звезда будет экранировать прямые лучи от источника, а к наблюдателю попадут только те лучи, которые преломлены в ее поле тяготения по образующим конуса. Изображение же источника будет выглядеть ярким кольцом (названным «кольцом Эйнштейна»), окружающим диск фокусирующей звезды. Угловые размеры как фокусирующей звезды, так и кольца очень малы, и увидеть их в отдельности невозможно даже в лучшие наземные телескопы. Даже при незначительном смещении наблюдателя в сторону симметрия нарушается, светящееся кольцо разрывается на две дуги, которые по мере удаления от оси будут стягиваться в маленькие кружочки. Это значит, что пока наблюдатель находится в области фокусировки, он будет видеть вместо одной звезды два ее изображения по разные стороны от звезды-линзы. К тому же и сама фокусирующая звезда может являться мощным источником света, так как расположена относительно наблюдателя гораздо ближе изображаемого ею объекта и ее ослепляющее действие можно преодолеть только в том случае, если она заметно усиливает яркость изображения источника. Любые нарушения симметрии поля тяготения звезды и ее вращение уменьшают его фокусирующее действие и затрудняют обнаружение линзового эффекта от одиночных звезд.

Однако в 1937 году американский астроном Фриц Цвикки пришел к выводу, что роль линзы могут играть не только отдельные звезды, но и целые галактики. В этом случае угловые расстояния между изображением источника и гравитационной линзой настолько увеличиваются, что оказываются в пределах разрешающей способности современных телескопов.

Обнаружить эффект гравитационного линзирования во Вселенной астрономам помогли квазары — одни из самых далеких и ярких объектов Вселенной. Чем дальше находится объект, тем больше вероятность того, что на луче зрения между ним и наблюдателем появится какая-нибудь галактика. В 1979 году группа астрономов из Англии и США получила спектры двух компонентов квазара QSO 0957+561, удаленного от нас более чем на 8 млрд. световых лет. Астрономы были поражены практически полной идентичностью их спектров и красного смещения. Вот только колебания яркости компонентов происходили не одновременно, а с разницей приблизительно в один год. Поэтому астрономы склонились к мнению, что два компонента квазара QSO 0957+561— это всего лишь кажущийся эффект. На самом же деле существует лишь один квазар, а его двойное изображение является результатом действия гравитационной линзы, находящейся между наблюдателем и квазаром. В результате длительных наблюдений была обнаружена эллиптическая галактика, расположенная на расстоянии более 3 млн. световых лет от Земли, которая и разделила надвое своей гравитацией излучение квазара. Галактика-линза немного смещена в сторону от линии Земля-квазар, поэтому ход лучей в системе несимметричен: фотоны, огибающие галактику с одной стороны, должны преодолевать гораздо большее расстояние, чем фотоны, огибающие ее с другой, потому-то и прибывают они к наблюдателю с опозданием в год.

Конечно, гравитационная линза — «плохая» линза в том смысле, что у нее нет хорошего фокуса, где можно получить неискаженное изображение. Ведь структура изображений зависит от взаимного расположения источника, линзы и наблюдателя, а также массы и формы линзы. Наиболее экстремальное искажение света имеет место тогда, когда линза очень массивна и линзируемый источник достаточно близок к ней. В конце 80-х годов прошлого столетия стали наблюдаться гравитационные линзы на скоплениях галактик. При этом было обнаружено, что слабые голубые галактики, находящиеся за линзирующим скоплением, имеют вытянутые дугообразные формы. Классический пример такой картины — снимок скопления галактик Абелл 2218, полученный космическим телескопом «Хаббл».

В простейшем случае, когда размеры источника и линзы невелики, изображение источника «размножается» на два и более компонентов. Примером тому может служить знаменитый квазар «крест Эйнштейна», расстояние до которого оценивается в более чем 8 млрд. световых лет. Изображение самого квазара состоит из четырех компонентов, а яркое пятно между ними — линзирующая галактика, расположеная примерно в 20 раз ближе квазара. В общем случае расстояния, которые проходит свет, создающий разные изображения одного и того же объекта до наблюдателя, неодинаковы.

Часто линзу не удается обнаружить оптическими наблюдениями и искажение изображения далекого исследуемого источника излучения является единственным свидетельством того, что на луче зрения между ним и наблюдателем присутствует большое скопление вещества. Так, фотографии квазара MG2016+122 из созвездия Дельфина говорят о том, что свет от него преломляется мощной гравитационной линзой, однако наблюдения на самых мощных оптических телескопах не смогли обнаружить ничего, что могло бы вызывать отклонения света квазара! Изучить галактику, выступающую в роли гравитационной линзы, гораздо сложнее, чем обнаружить ее влияние на изображение квазара. Слабое изображение галактики часто тонет в ярком свете квазара (хотя по земным меркам оба они — суперслабые).

Гравитационные линзы могут пролить свет на самые «темные» тайны Вселенной. В конце 1997 года астроном М. Хокинс заявил о том, что одним из невидимых массивных компонентов Вселенной, возможно, являются галактики, лишенные звезд. Свое предположение он основывает на том, что при изучении восьми пар изображений гравитационно линзированных квазаров ему только в двух случаях удалось обнаружить отклоняющие свет звездные системы. У остальных же шести пар оптических следов гравитационной линзы-галактики обнаружено не было. А судя по искажению изображений, эти линзы по массе не уступают нашей Галактике. Поэтому Хокинс и его коллеги считают, что им удалось открыть «несостоявшиеся галактики», лишенные звездного населения и состоящие только из газа. Если это действительно так, то открытие поможет решить загадку скрытой массы.